CN115236411A - 一种屏蔽罩内电子器件的辐射源建模方法 - Google Patents

一种屏蔽罩内电子器件的辐射源建模方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115236411A
CN115236411A CN202210728750.5A CN202210728750A CN115236411A CN 115236411 A CN115236411 A CN 115236411A CN 202210728750 A CN202210728750 A CN 202210728750A CN 115236411 A CN115236411 A CN 115236411A
Authority
CN
China
Prior art keywords
dipole
radiation source
real
shielding case
dipoles
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202210728750.5A
Other languages
English (en)
Inventor
魏兴昌
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhejiang University ZJU
Original Assignee
Zhejiang University ZJU
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zhejiang University ZJU filed Critical Zhejiang University ZJU
Priority to CN202210728750.5A priority Critical patent/CN115236411A/zh
Publication of CN115236411A publication Critical patent/CN115236411A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R29/00—Arrangements for measuring or indicating electric quantities not covered by groups G01R19/00 - G01R27/00
    • G01R29/08—Measuring electromagnetic field characteristics
    • G01R29/0864—Measuring electromagnetic field characteristics characterised by constructional or functional features
    • G01R29/0892—Details related to signal analysis or treatment; presenting results, e.g. displays; measuring specific signal features other than field strength, e.g. polarisation, field modes, phase, envelope, maximum value
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/30—Circuit design
    • G06F30/32—Circuit design at the digital level
    • G06F30/33—Design verification, e.g. functional simulation or model checking
    • G06F30/3308—Design verification, e.g. functional simulation or model checking using simulation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Shielding Devices Or Components To Electric Or Magnetic Fields (AREA)

Abstract

本发明公开了一种屏蔽罩内电子器件的辐射源建模方法，属于构建电磁辐射源的等效模型领域。该建模方法将结构未知的真实辐射源(电子器件/部件等)等效为虚拟的电磁偶极子阵列，利用偶极子模拟屏蔽罩内真实辐射源对其周围元件的电磁耦合。首先利用无屏蔽罩时真实源的辐射电磁场计算偶极子的位置和初始辐射强度(偶极矩)，然后利用有屏蔽罩时真实源的泄露场调整偶极子的辐射强度，最后，将偶极子的位置和最终辐射强度、屏蔽罩带入全波电磁仿真模型中，计算偶极子与周围元件的耦合电压/功率，该耦合电压/功率即为真实源在屏蔽罩存在时对其周围元件的耦合电压/功率。本发明的建模方法解决了传统偶极子方法无法准确预测屏蔽罩内电磁耦合的难题。

Description

一种屏蔽罩内电子器件的辐射源建模方法
技术领域
本发明涉及构建电磁辐射源的等效模型领域，尤其涉及一种屏蔽罩内电子器件的辐射源建模方法。
背景技术
自动驾驶、高性能计算、5G通信、人工智能等，使得已知和未知的高速电子设备全方位渗透入军事、生产与生活。相关电路工作频率不断刷新，其高次谐波已达数百GHz，导致元器件尺寸与电磁波长相比拟，成为意想不到的“天线”。高速电路的电磁辐射干扰问题已日益普遍并愈发严重。面对越来越复杂的电子产品，传统的全波仿真方法无法精确、快速地分析其电磁干扰问题。这是由于全波仿真算法面对结构复杂的多尺度(电路板级-器件级-芯片级)问题，仿真效率十分低下。面对这类问题，近场扫描技术显现出了巨大的优势，它可以在器件结构细节未知的情况下诊断和定位电磁干扰问题。特别地，利用近场扫描的电磁场，可以构建真实、复杂辐射源的简化等效模型(比如结构简单的偶极子阵列)，从而快速量化分析复杂系统中电磁干扰问题。
为了减小有害电磁辐射，辐射源通常放置于屏蔽罩内。传统等效偶极子通过扫描真实辐射源在屏蔽罩不存在时的电磁场获得，当放入屏蔽罩后，由于屏蔽罩内的电磁反射作用，导致偶极子计算得到的屏蔽罩内电磁场与真实辐射源的电磁场的误差较大。
发明内容
为了克服现有屏蔽罩内电子器件的辐射源建模误差大的问题，本发明提供一种两步法的辐射源建模方法，关键点通过测试辐射源在屏蔽罩外部的泄露场来调整虚拟偶极子的偶极矩，从而提高屏蔽罩内辐射源建模的精度。
本发明的技术内容如下：
一种屏蔽罩内电子器件的辐射源建模方法，包括：
将屏蔽罩内电子器件的辐射源等效为虚拟的电磁偶极子阵列，基于偶极子辐射场构建等效模型；
利用无屏蔽罩时真实辐射源的辐射电磁场，计算得到偶极子的位置和初始偶极矩；
固定偶极子的位置和数量，利用有屏蔽罩时真实辐射源的泄露场，调整屏蔽罩内偶极子模型的初始偶极矩，得到偶极子的最终偶极矩；
将偶极子的位置、最终偶极矩、屏蔽罩带入全波电磁仿真模型中，计算偶极子阵列与屏蔽罩内外元件的耦合电压或功率，所述的耦合电压/功率即为真实辐射源在屏蔽罩存在时对其周围元件的耦合电压或功率。
本发明用虚拟偶极子代替真实辐射源(结构未知的电路器件)，并分两步分别计算得到虚拟偶极子的位置和偶极矩(偶极子的辐射强度)信息。
第一步，扫描无屏蔽罩或屏蔽罩打开状态时真实辐射源的真实辐射电磁场，将真实辐射电磁场作为所述的等效模型中的等效辐射电磁场，反推与真实辐射源对应的虚拟电磁偶极子的位置和初步的偶极矩。
具体的，通过差分进化等优化算法调整电磁偶极子阵列的等效模型中偶极子的位置和偶极矩，从而得到与真实辐射源对应的虚拟电磁偶极子的位置和初步的偶极矩。这个时候的偶极矩是在无屏蔽盖、自由空间情况下得到的，其辐射场与真实辐射源的场在无屏蔽罩、自由空间时的一样。但是，当偶极子放入屏蔽罩内后，其辐射场与真实辐射源的场有较大误差。这是因为偶极子模型是“透明”的，即其只能辐射电磁场而不能反射电磁场。屏蔽罩内存在多次反射的电磁波，这些电磁波将“穿透”偶极子，但这些电磁波将被真实辐射源反射。
第二步，根据所述的偶极子的位置和初始偶极矩，建立虚拟屏蔽罩+偶极子阵列的仿真模型，所述的虚拟屏蔽罩与真实屏蔽罩形状、大小相同；扫描有屏蔽罩时真实辐射源的真实外部泄露场，将真实外部泄露场作为虚拟屏蔽罩+偶极子阵列的仿真模型的仿真外部泄露场，反推虚拟偶极子的最终偶极矩。
具体的，观察发现，真实辐射源在通过屏蔽罩孔缝的泄露场与其屏蔽罩内部的辐射场有很大的相关性。工程上探头无法深入屏蔽罩内部测试真实辐射源的辐射场，但屏蔽罩外部的泄露场可以通过探头扫描测得。另一方面，通过建立屏蔽罩+偶极子的仿真模型，通过优化算法调整第一步里得到的偶极子的位置和初步的偶极矩，使得偶极子仿真出来的泄露场和真实源在屏蔽罩外部非泄露场一样。这样就保证了偶极子和真实源源在屏蔽罩内部的场的吻合度。换句话说，加上屏蔽罩后，通过进一步调整偶极子的偶极矩来模拟偶极子对屏蔽罩内电磁波的反射，得到偶极子最终的偶极矩。在这一步中，偶极子的位置和数目保持和第一步中的一样。需要说明的是，第二步中，测量真实源泄露场和仿真屏蔽罩+偶极子模型时，只要求两者中的屏蔽罩类似，但屏蔽罩可以和实际场景中的屏蔽罩在形状、大小等方面不一样，比如只保留原屏蔽罩的顶盖、去掉其四壁(对于扁平屏蔽罩而言)，或者在原屏蔽罩不同位置开孔方便测量泄露场，等等，只要保留原屏蔽罩主体即可。这样一来，使得本方法具有更好的通用性，即在调整偶极矩时，形状、大小等类似的原屏蔽罩可以用一个近似的屏蔽罩来代替。
在得到偶极子最终的偶极矩后，将偶极子的位置和偶极矩信息带入全波电磁仿真中，计算偶极子与周围元件的耦合电压/功率，该耦合电压/功率即为真实辐射源对其周围元件的耦合电压/功率。
因屏蔽罩通常含有孔缝，本发明通过测量屏蔽罩存在时真实辐射源的外部泄露场，从而调整偶极子的偶极矩，最终提高了屏蔽罩内用偶极子预测真实辐射源辐射场和耦合电压的精度。由于偶极子结构简单、辐射场具有解析公式，用偶极子代替真实辐射源大大提高了计算效率。
附图说明
图1是屏蔽盖打开时辐射源、受扰体的实物摆放图。
图2是屏蔽盖闭合时辐射源耦合到受扰体的耦合功率值。
图3是屏蔽盖闭合时测试真实辐射源的泄露场实验配置。
图4是屏蔽盖及其辐射源、受扰体的仿真模型。
图5是有屏蔽盖时，贴片天线(实际辐射源)(c)、偶极矩修正前(a)和修正后(b)的偶极子分别在屏蔽罩内产生的总电场分布图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和一个实测例子对本发明做进一步的说明。
根据电磁等效原理，如果两种不同性质的源能够在所研究的区域内产生相同的电磁场，则称这两种源在这个区域内是等效的。基于此，真实辐射源可以用虚拟的电磁偶极子等效。位于坐标原点、沿z方向的电偶极子的辐射场为：
Figure BDA0003711925020000041
类似地，位于坐标原点、沿z方向的磁偶极子的辐射场为：
Figure BDA0003711925020000042
公式(1)和(2)中，其中，IΔl和ImΔl分别为电、磁偶极子的偶极矩，Er、Eθ、Eφ分别是球坐标系中观察点到原点的距离为r时、观察点的天顶角为θ时和方位角为
Figure BDA0003711925020000044
时的偶极子产生的r、θ、φ方向的电场分量，Hr、Hθ、Hφ分别是球坐标系中观察点到原点的距离为r时、观察点的天顶角为θ时和方位角为
Figure BDA0003711925020000045
时的偶极子产生的r、θ、
Figure BDA0003711925020000046
方向的磁场分量，k和η分别为自由空间的波数和波阻抗，μ为自由空间的磁导率，
Figure BDA0003711925020000043
为虚部单位，r、θ、
Figure BDA0003711925020000047
分别为球坐标系中观察点到原点的距离、观察点的天顶角、观察点的方位角。。
扫描无屏蔽罩时真实辐射源的辐射电磁场。根据等效原理，认为这些辐射场是由虚拟偶极子辐射的。偶极子的数目给定，但其位置和偶极矩为待求量。通过公式(1)和(2)，可以得到如下线性方程组：
AM＝EH (3)
其中，A表示场和源之间的转换矩阵，其值由公式(1)-(2)计算得到，M表示偶极子的偶极矩列向量(可以是电偶极子、磁偶极子或者两者的组合)，EH表示扫描得到的电磁场列向量(可以是电场、磁场或者两者的组合)，EH包含相位信息(比如扫描场是由网络分析仪测量得到的)。当EH不包含相位信息时(比如扫描场是由频谱仪测量得到的)，线性方程组(3)变为非线性方程组(4)：
|AM|＝|EH| (4)
其中，||表示取幅度运算。
本发明中，用虚拟偶极子代替真实辐射源，并分两步分别计算得到虚拟偶极子的位置和偶极矩(偶极子的辐射强度)信息。
第一步，扫描屏蔽罩打开时真实辐射源的辐射电磁场，通过优化算法反推与真实辐射源对应的虚拟电磁偶极子的位置和初步的偶极矩(改变A和M)，使得方程组(3)或者(4)左右相等。
图1给出了一个屏蔽罩打开图，其底部铺上铜箔防止底部泄露，其中间放置一个结构未知的芯片，作为辐射源；左边放置一个小的单极子天线作为受扰体。首先，用近场探头扫描不加屏蔽罩上盖(如图1所示的屏蔽罩打开情况)时辐射源的辐射场，用20dBm的信号源激励辐射源，扫描面距离辐射源2mm。本实施例中，测试了辐射场的Ez、Hx、Hy幅度，辐射源用20dBm的信号源激励。
然后采用差分进化算法(Differential Evolution Algorithm，DE)求解方程组(4)得到偶极子的位置和初步偶极矩。本实施例中，选取z方向的电偶极子、x方向的磁偶极子和y方向的磁偶极子若干，作为未知芯片的等效源。
将得到的偶极子、屏蔽罩、受扰体一起进行全波电磁仿真，计算得到偶极子耦合到受扰体上的耦合功率。本实施例计算了9GHz和14.9GHz两个频点的耦合功率，其数值如图2中圆点所示。图2中的参考值指屏蔽罩存在时，用20dBm的信号源激励辐射源，用频谱仪连接受扰体测得的受扰体接受的耦合功率。从图2可见，偶极矩修正之前偶极子预测的耦合功率误差较大。
第二步，扫描屏蔽罩闭合后真实辐射源的外部泄露场，通过优化算法反推虚拟偶极子的最终偶极矩。
图3显示的是加上屏蔽罩上盖后(屏蔽上盖有两个洞)，用近场探头测试真实辐射源通过这两个洞的泄露场，泄露场距离屏蔽罩上盖1mm。其中，探头和辐射源分别接到频谱仪和信号源，再通过探头的校准因子并考虑线缆的损耗，最后将频谱仪的度数转化为泄露场的Ez分量幅度。
将第一步得到的偶极子和屏蔽罩一起进行全波仿真，计算偶极子的泄露场Ez分量幅度，并利用优化算法调节全波仿真中偶极子的偶极矩，使得偶极子的仿真出来的泄露场Ez分量幅度与上面真实源泄露场Ez分量幅度吻合，得到最终偶极矩。将得到的最终偶极矩、屏蔽罩、受扰体一起进行全波电磁仿真，计算得到偶极子耦合到受扰体上的耦合功率。本实施例计算了9GHz和14.9GHz两个频点的耦合功率，其数值如图2中“x”所示。从图2可以看到，经过偶极矩修正后，偶极子预测的耦合功率和参考值更加接近，误差从15dB减小到5dB，验证了本发明所提方法的有效性。
接下来，通过一个仿真例子说明本发明修正偶极矩的方法可以提高偶极子和真实源源在屏蔽罩内部的场的吻合度。图4为本实施例建立的仿真模型，其中长方体屏蔽罩厚度为1mm，放置在PCB板上，屏蔽罩四壁距离PCB表面有0.2mm的缝隙。屏蔽罩内的辐射源为一个贴片天线。图5(a)和(b)分别是偶极矩修正前和修正后的偶极子在屏蔽罩内产生的总电场分布图，图5(c)是贴片天线在屏蔽罩内产生的总电场分布图。从图中可以看出，偶极矩修正后，偶极子产生的的电场图亮斑与贴片天线产生的电场图亮斑更吻合。从而说明本发明所提方法能够提高屏蔽罩内耦合功率计算精度的原因。
以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种屏蔽罩内电子器件的辐射源建模方法，其特征在于，包括：
将屏蔽罩内电子器件的辐射源等效为虚拟的电磁偶极子阵列，基于偶极子辐射场构建等效模型；
利用无屏蔽罩时真实辐射源的辐射电磁场，计算得到偶极子的位置和初始偶极矩；
固定偶极子的位置和数量，利用有屏蔽罩时真实辐射源的泄露场，调整屏蔽罩内偶极子模型的初始偶极矩，得到偶极子的最终偶极矩；
将偶极子的位置、最终偶极矩、屏蔽罩带入全波电磁仿真模型中，计算偶极子阵列与屏蔽罩内外元件的耦合电压或功率，所述的耦合电压/功率即为真实辐射源在屏蔽罩存在时对其周围元件的耦合电压或功率。
2.根据权利要求1所述的屏蔽罩内电子器件的辐射源建模方法，其特征在于，所述的利用无屏蔽罩时真实辐射源的辐射电磁场，计算得到偶极子的位置和初始偶极矩，包括：
扫描无屏蔽罩或屏蔽罩打开状态时真实辐射源的真实辐射电磁场，将真实辐射电磁场作为所述的等效模型中的等效辐射电磁场，反推与真实辐射源对应的虚拟电磁偶极子的位置和初始偶极矩。
3.根据权利要求1所述的屏蔽罩内电子器件的辐射源建模方法，其特征在于，所述的固定屏蔽罩内偶极子的位置和数量，利用有屏蔽罩时真实辐射源的泄露场，调整屏蔽罩内偶极子的初始偶极矩，得到偶极子的最终偶极矩，包括：
根据所述的偶极子的位置和初始偶极矩，建立虚拟屏蔽罩+偶极子阵列的仿真模型，所述的虚拟屏蔽罩与真实屏蔽罩形状、大小相同；
扫描有屏蔽罩时真实辐射源的真实外部泄露场，将真实外部泄露场作为虚拟屏蔽罩+偶极子阵列的仿真模型的仿真外部泄露场，反推虚拟偶极子的最终偶极矩。
4.根据权利要求2或3所述的屏蔽罩内电子器件的辐射源建模方法，其特征在于，采用差分进化法计算偶极子的位置、初始偶极矩和最终偶极矩。
CN202210728750.5A 2022-06-24 2022-06-24 一种屏蔽罩内电子器件的辐射源建模方法 Pending CN115236411A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210728750.5A CN115236411A (zh) 2022-06-24 2022-06-24 一种屏蔽罩内电子器件的辐射源建模方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210728750.5A CN115236411A (zh) 2022-06-24 2022-06-24 一种屏蔽罩内电子器件的辐射源建模方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115236411A true CN115236411A (zh) 2022-10-25

Family

ID=83670025

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210728750.5A Pending CN115236411A (zh) 2022-06-24 2022-06-24 一种屏蔽罩内电子器件的辐射源建模方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115236411A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116187109A (zh) * 2023-04-27 2023-05-30 北京航天天美科技有限公司 一种射频接口窗结构仿真优化方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116187109A (zh) * 2023-04-27 2023-05-30 北京航天天美科技有限公司 一种射频接口窗结构仿真优化方法
CN116187109B (zh) * 2023-04-27 2023-07-04 北京航天天美科技有限公司 一种射频接口窗结构仿真优化方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Shu et al. An equivalent dipole model hybrid with artificial neural network for electromagnetic interference prediction
Huang et al. Physics-based dipole moment source reconstruction for RFI on a practical cellphone
Shim et al. Circuital modeling and measurement of shielding effectiveness against oblique incident plane wave on apertures in multiple sides of rectangular enclosure
Tong et al. Modeling electromagnetic emissions from printed circuit boards in closed environments using equivalent dipoles
Wang et al. Multisolver domain decomposition method for modeling EMC effects of multiple antennas on a large air platform
CN101697177B (zh) 一种预测场线耦合系统响应的场-路协同模型建立方法
Radchenko et al. Transfer function method for predicting the emissions in a CISPR-25 test-setup
He et al. An ultrawideband magnetic probe with high electric field suppression ratio
Bjorninen et al. Wireless measurement of RFID IC impedance
KR100574226B1 (ko) 티이엠 도파관을 이용한 복사체의 전자파 복사 패턴 및이득 측정 방법
CN115236411A (zh) 一种屏蔽罩内电子器件的辐射源建模方法
CN102955091B (zh) 整舱条件下的屏蔽方舱低频屏蔽效能测试与评价方法
Ding et al. Near-field scanning based shielding effectiveness analysis of system in package
Cho et al. Assessment of integrated circuits emissions with an equivalent dipole-moment method
Koohestani et al. An analytical approach for the estimation of the far-field reduction obtained by placing closed conductor loops in proximity to a chip
Li et al. An efficient approach for analyzing shielding effectiveness of enclosure with connected accessory based on equivalent dipole modeling
Pan et al. Far-field radiation estimation from near-field measurements and image theory
Stockman et al. Efficient modeling of interactions between radiating devices with arbitrary relative positions and orientations
Zhang et al. Hybrid prediction method for the electromagnetic interference characteristics of printed circuit boards based on the equivalent dipole model and the finite-difference time domain method
Silfverskiold et al. Microwave field-to-wire coupling measurements in anechoic and reverberation chambers
García-Pérez et al. Time-domain shielding effectiveness of enclosures against a plane wave excitation
Hu et al. Application of artificial neural network for electromagnetic source reconstruction
Monsalve et al. Multiport small integrated antenna impedance matrix measurement by backscattering modulation
Dahl et al. Efficient simulation of substrate-integrated waveguide antennas using a hybrid boundary element method
Wei et al. A summary of artificial neural networks on electromagnetic interference diagnosis

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination